Estimators and Tests based on Likelihood-Depth with Application to Weibull Distribution, Gaussian and Gumbel Copula

In dieser Arbeit werden mithilfe der Likelihood-Tiefen, eingeführt von Mizera und Müller (2004), (ausreißer-)robuste Schätzfunktionen und Tests für den unbekannten Parameter einer stetigen Dichtefunktion entwickelt. Die entwickelten Verfahren werden dann auf drei verschiedene Verteilungen angewandt. Für eindimensionale Parameter wird die Likelihood-Tiefe eines Parameters im Datensatz als das Minimum aus dem Anteil der Daten, für die die Ableitung der Loglikelihood-Funktion nach dem Parameter nicht negativ ist, und dem Anteil der Daten, für die diese Ableitung nicht positiv ist, berechnet. Damit hat der Parameter die größte Tiefe, für den beide Anzahlen gleich groß sind. Dieser wird zunächst als Schätzer gewählt, da die Likelihood-Tiefe ein Maß dafür sein soll, wie gut ein Parameter zum Datensatz passt. Asymptotisch hat der Parameter die größte Tiefe, für den die Wahrscheinlichkeit, dass für eine Beobachtung die Ableitung der Loglikelihood-Funktion nach dem Parameter nicht negativ ist, gleich einhalb ist. Wenn dies für den zu Grunde liegenden Parameter nicht der Fall ist, ist der Schätzer basierend auf der Likelihood-Tiefe verfälscht. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie diese Verfälschung korrigiert werden kann sodass die korrigierten Schätzer konsistente Schätzungen bilden. Zur Entwicklung von Tests für den Parameter, wird die von Müller (2005) entwickelte Simplex Likelihood-Tiefe, die eine U-Statistik ist, benutzt. Es zeigt sich, dass für dieselben Verteilungen, für die die Likelihood-Tiefe verfälschte Schätzer liefert, die Simplex Likelihood-Tiefe eine unverfälschte U-Statistik ist. Damit ist insbesondere die asymptotische Verteilung bekannt und es lassen sich Tests für verschiedene Hypothesen formulieren. Die Verschiebung in der Tiefe führt aber für einige Hypothesen zu einer schlechten Güte des zugehörigen Tests. Es werden daher korrigierte Tests eingeführt und Voraussetzungen angegeben, unter denen diese dann konsistent sind. Die Arbeit besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil der Arbeit wird die allgemeine Theorie über die Schätzfunktionen und Tests dargestellt und zudem deren jeweiligen Konsistenz gezeigt. Im zweiten Teil wird die Theorie auf drei verschiedene Verteilungen angewandt: Die Weibull-Verteilung, die Gauß- und die Gumbel-Copula. Damit wird gezeigt, wie die Verfahren des ersten Teils genutzt werden können, um (robuste) konsistente Schätzfunktionen und Tests für den unbekannten Parameter der Verteilung herzuleiten. Insgesamt zeigt sich, dass für die drei Verteilungen mithilfe der Likelihood-Tiefen robuste Schätzfunktionen und Tests gefunden werden können. In unverfälschten Daten sind vorhandene Standardmethoden zum Teil überlegen, jedoch zeigt sich der Vorteil der neuen Methoden in kontaminierten Daten und Daten mit Ausreißern.

Internal Camera Calibration Using Rotation and Geometric Shapes

This paper describes a simple method for internal camera calibration for computer vision. This method is based on tracking image features through a sequence of images while the camera undergoes pure rotation. The location of the features relative to the camera or to each other need not be known and therefore this method can be used both for laboratory calibration and for self calibration in autonomous robots working in unstructured environments. A second method of calibration is also presented. This method uses simple geometric objects such as spheres and straight lines to The camera parameters. Calibration is performed using both methods and the results compared.

Calibration of a Structured Light-Based Stereo Catadioptric Sensor

Catadioptric sensors are combinations of mirrors and lenses made in order to obtain a wide field of view. In this paper we propose a new sensor that has omnidirectional viewing ability and it also provides depth information about the nearby surrounding. The sensor is based on a conventional camera coupled with a laser emitter and two hyperbolic mirrors. Mathematical formulation and precise specifications of the intrinsic and extrinsic parameters of the sensor are discussed. Our approach overcomes limitations of the existing omni-directional sensors and eventually leads to reduced costs of production

Control and optimization of an SBR for nitrogen removal: from model calibration to plant operation

En aquesta tesis s'ha desenvolupat un sistema de control capaç d'optimitzar el funcionament dels Reactors Discontinus Seqüencials dins el camp de l'eliminació de matèria orgànica i nitrogen de les aigües residuals. El sistema de control permet ajustar en línia la durada de les etapes de reacció a partir de mesures directes o indirectes de sondes. En una primera etapa de la tesis s'ha estudiat la calibració de models matemàtics que permeten realitzar fàcilment provatures de diferents estratègies de control. A partir de l'anàlisis de dades històriques s'han plantejat diferents opcions per controlar l'SBR i les més convenients s'han provat mitjançant simulació. Després d'assegurar l'èxit de l'estratègia de control mitjançant simulacions s'ha implementat en una planta semi-industrial. Finalment es planteja l'estructura d'uns sistema supervisor encarregat de controlar el funcionament de l'SBR no només a nivell de fases sinó també a nivell cicle.

Modelling stereoscopic vision systems for robotic applications

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa. La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals. Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències. Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen les semblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals. Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori. Les principals contribucions d'aquest treball són: ·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes. ·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic. ·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil. ·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat.

The calibration and use of probe-test microphones

This paper examines the characteristics of the probe-tube microphone and its use in measuring sound pressure in the ear canal. Specifically the paper studies the free field and the coupler calibrations of several probe-tube microphones with tubes of different sizes and determines which characteristics of a probe tube are necessary for accurate measurements in both a free field and in a closed coupler.

Extension of spherical nonparametric estimators to nonisotropic kernels: An oceanographic application

In a recently published paper. spherical nonparametric estimators were applied to feature-track ensembles to determine a range of statistics for the atmospheric features considered. This approach obviates the types of bias normally introduced with traditional estimators. New spherical isotropic kernels with local support were introduced. Ln this paper the extension to spherical nonisotropic kernels with local support is introduced, together with a means of obtaining the shape and smoothing parameters in an objective way. The usefulness of spherical nonparametric estimators based on nonisotropic kernels is demonstrated with an application to an oceanographic feature-track ensemble.

Spherical nonparametric estimators applied to the UGAMP model integration for AMIP

The aim of this paper is essentially twofold: first, to describe the use of spherical nonparametric estimators for determining statistical diagnostic fields from ensembles of feature tracks on a global domain, and second, to report the application of these techniques to data derived from a modern general circulation model. New spherical kernel functions are introduced that are more efficiently computed than the traditional exponential kernels. The data-driven techniques of cross-validation to determine the amount elf smoothing objectively, and adaptive smoothing to vary the smoothing locally, are also considered. Also introduced are techniques for combining seasonal statistical distributions to produce longer-term statistical distributions. Although all calculations are performed globally, only the results for the Northern Hemisphere winter (December, January, February) and Southern Hemisphere winter (June, July, August) cyclonic activity are presented, discussed, and compared with previous studies. Overall, results for the two hemispheric winters are in good agreement with previous studies, both for model-based studies and observational studies.

A simple, intuitive camera calibration tool for natural images

The paper reports an interactive tool for calibrating a camera, suitable for use in outdoor scenes. The motivation for the tool was the need to obtain an approximate calibration for images taken with no explicit calibration data. Such images are frequently presented to research laboratories, especially in surveillance applications, with a request to demonstrate algorithms. The method decomposes the calibration parameters into intuitively simple components, and relies on the operator interactively adjusting the parameter settings to achieve a visually acceptable agreement between a rectilinear calibration model and his own perception of the scene. Using the tool, we have been able to calibrate images of unknown scenes, taken with unknown cameras, in a matter of minutes. The standard of calibration has proved to be sufficient for model-based pose recovery and tracking of vehicles.

Calibration of uncertain flood inundation models using remotely sensed water levels

A traditional method of validating the performance of a flood model when remotely sensed data of the flood extent are available is to compare the predicted flood extent to that observed. The performance measure employed often uses areal pattern-matching to assess the degree to which the two extents overlap. Recently, remote sensing of flood extents using synthetic aperture radar (SAR) and airborne scanning laser altimetry (LIDAR) has made more straightforward the synoptic measurement of water surface elevations along flood waterlines, and this has emphasised the possibility of using alternative performance measures based on height. This paper considers the advantages that can accrue from using a performance measure based on waterline elevations rather than one based on areal patterns of wet and dry pixels. The two measures were compared for their ability to estimate flood inundation uncertainty maps from a set of model runs carried out to span the acceptable model parameter range in a GLUE-based analysis. A 1 in 5-year flood on the Thames in 1992 was used as a test event. As is typical for UK floods, only a single SAR image of observed flood extent was available for model calibration and validation. A simple implementation of a two-dimensional flood model (LISFLOOD-FP) was used to generate model flood extents for comparison with that observed. The performance measure based on height differences of corresponding points along the observed and modelled waterlines was found to be significantly more sensitive to the channel friction parameter than the measure based on areal patterns of flood extent. The former was able to restrict the parameter range of acceptable model runs and hence reduce the number of runs necessary to generate an inundation uncertainty map. A result of this was that there was less uncertainty in the final flood risk map. The uncertainty analysis included the effects of uncertainties in the observed flood extent as well as in model parameters. The height-based measure was found to be more sensitive when increased heighting accuracy was achieved by requiring that observed waterline heights varied slowly along the reach. The technique allows for the decomposition of the reach into sections, with different effective channel friction parameters used in different sections, which in this case resulted in lower r.m.s. height differences between observed and modelled waterlines than those achieved by runs using a single friction parameter for the whole reach. However, a validation of the modelled inundation uncertainty using the calibration event showed a significant difference between the uncertainty map and the observed flood extent. While this was true for both measures, the difference was especially significant for the height-based one. This is likely to be due to the conceptually simple flood inundation model and the coarse application resolution employed in this case. The increased sensitivity of the height-based measure may lead to an increased onus being placed on the model developer in the production of a valid model

Spatial calibration of an optical see-through head-mounted display

We present here a method for calibrating an optical see-through Head Mounted Display (HMD) using techniques usually applied to camera calibration (photogrammetry). Using a camera placed inside the HMD to take pictures simultaneously of a tracked object and features in the HMD display, we could exploit established camera calibration techniques to recover both the intrinsic and extrinsic properties of the~HMD (width, height, focal length, optic centre and principal ray of the display). Our method gives low re-projection errors and, unlike existing methods, involves no time-consuming and error-prone human measurements, nor any prior estimates about the HMD geometry.

A cross-calibration of chlorine isotopic measurements and suitability of seawater as the international reference material

A collection of 24 seawaters from various worldwide locations and differing depth was culled to measure their chlorine isotopic composition (delta(37)Cl). These samples cover all the oceans and large seas: Atlantic, Pacific, Indian and Antarctic oceans, Mediterranean and Red seas. This collection includes nine seawaters from three depth profiles down to 4560 mbsl. The standard deviation (2sigma) of the delta(37)Cl of this collection is +/-0.08 parts per thousand, which is in fact as large as our precision of measurement ( +/- 0.10 parts per thousand). Thus, within error, oceanic waters seem to be an homogeneous reservoir. According to our results, any seawater could be representative of Standard Mean Ocean Chloride (SMOC) and could be used as a reference standard. An extended international cross-calibration over a large range of delta(37)Cl has been completed. For this purpose, geological fluid samples of various chemical compositions and a manufactured CH3Cl gas sample, with delta(37)Cl from about -6 parts per thousand to +6 parts per thousand have been compared. Data were collected by gas source isotope ratio mass spectrometry (IRMS) at the Paris, Reading and Utrecht laboratories and by thermal ionization mass spectrometry (TIMS) at the Leeds laboratory. Comparison of IRMS values over the range -5.3 parts per thousand to +1.4 parts per thousand plots on the Y=X line, showing a very good agreement between the three laboratories. On 11 samples, the trend line between Paris and Reading Universities is: delta(37)Cl(Reading)= (1.007 +/- 0.009)delta(37)Cl(Paris) - (0.040 +/- 0.025), with a correlation coefficient: R-2 = 0.999. TIMS values from Leeds University have been compared to IRMS values from Paris University over the range -3.0 parts per thousand to +6.0 parts per thousand. On six samples, the agreement between these two laboratories, using different techniques is good: delta(37)Cl(Leeds)=(1.052 +/- 0.038)delta(37)Cl(Paris) + (0.058 +/- 0.099), with a correlation coefficient: R-2 = 0.995. The present study completes a previous cross-calibration between the Leeds and Reading laboratories to compare TIMS and IRMS results (Anal. Chem. 72 (2000) 2261). Both studies allow a comparison of IRMS and TIMS techniques between delta(37)Cl values from -4.4 parts per thousand to +6.0 parts per thousand and show a good agreement: delta(37)Cl(TIMS)=(1.039 +/- 0.023)delta(37)Cl(IRMS)+(0.059 +/- 0.056), with a correlation coefficient: R-2 = 0.996. Our study shows that, for fluid samples, if chlorine isotopic compositions are near 0 parts per thousand, their measurements either by IRMS or TIMS will give comparable results within less than +/- 0.10 parts per thousand, while for delta(37)Cl values as far as 10 parts per thousand (either positive or negative) from SMOC, both techniques will agree within less than +/- 0.30 parts per thousand. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.